【摘要】：在油氣鉆井過程中,油基鉆井液的使用在給鉆井帶來方便的同時,也帶來了嚴(yán)重的環(huán)境問題。鉆井過程中產(chǎn)生的含油鉆屑屬于“國家危險廢物名錄”中規(guī)定的危險廢棄物,須進(jìn)行無害化處理。海洋鉆井平臺由于場地的特殊性,又加上海洋環(huán)境保護(hù)法規(guī)的嚴(yán)苛要求,含油鉆屑的處理已成為亟待有效解決的一大難題。根據(jù)海上平臺對含油鉆屑的處理需求和實際條件,對中試熱脫附處理系統(tǒng)進(jìn)行了工況分析。在此基礎(chǔ)上研究了熱脫附處理單元的樣機方案,重點對物料傳輸系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、氣鎖系統(tǒng)等技術(shù)環(huán)節(jié)進(jìn)行了討論。制定了海上平臺含油鉆屑熱脫附處理單元的工藝流程,并對主要工藝參數(shù)進(jìn)行了設(shè)計計算。在標(biāo)準(zhǔn)螺旋輸送器的基礎(chǔ)上進(jìn)行了輸送改進(jìn)設(shè)計,在詳細(xì)輸送參數(shù)計算的基礎(chǔ)上建立了針對含濕粘性物料的低轉(zhuǎn)速、短螺距、淺槽深的螺旋輸送樣機模型。為了驗證實際輸送效果,在室內(nèi)配制了含水分別為10%、20%的濕沙物料,針對加熱單元的雙螺旋輸送裝置進(jìn)行了輸送試驗,得到了兩種不同輸送轉(zhuǎn)速下的試驗結(jié)果。對處理量、停留時間、填充率等輸送參數(shù)進(jìn)行了分析,并與理論計算進(jìn)行了對比,驗證了輸送設(shè)計的合理性。根據(jù)含油鉆屑熱脫附過程及特征,基于傳熱方程和液相蒸發(fā)基本原理建立了分析模型,結(jié)合求解區(qū)域,利用有限體積法對模型進(jìn)行了離散。為了解決物料中液相水、油在蒸發(fā)過程中相變引起的質(zhì)量變化,從能量平衡角度,建立了適用于工程計算的能量分配模型。在此基礎(chǔ)上,編制了基于Matlab的計算程序,并結(jié)合實際工況,利用計算程序?qū)豌@屑熱脫附過程進(jìn)行了模擬,得到了熱脫附過程中物料的溫度分布及變化規(guī)律、各相質(zhì)量含量分布及變化規(guī)律,并對熱脫附效果進(jìn)行了預(yù)測。通過模擬計算同時得到了熱脫附過程中的功率消耗,并針對樣機裝置得出了熱功率分布,并計算了不同工況下的熱功率。熱脫附熱源采用電磁感應(yīng)加熱方式,根據(jù)電磁感應(yīng)加熱基本原理和特點,結(jié)合熱脫附裝置加熱床結(jié)構(gòu),利用有限元軟件建立了數(shù)值模擬分析模型。通過數(shù)值模擬,得到了激勵電流與發(fā)熱功率的關(guān)系;在此基礎(chǔ)上結(jié)合熱脫附過程中的功率需求,通過電磁-熱耦合分析,得到了加熱床熱壁的溫度分布和溫差,為溫度控制參數(shù)提供了依據(jù)。同時根據(jù)數(shù)值模擬計算結(jié)果,得到了不同工況下的電磁感應(yīng)加熱功率;根據(jù)功率分布的要求,對電磁加熱感應(yīng)線圈在加熱床不同位置的密度進(jìn)行了分析和研究,建立了具有熱量輸出梯度的電磁感應(yīng)加熱熱源。在建立的含油鉆屑熱脫附處理中試樣機上,分三階段進(jìn)行了試驗。首先通過自制的兩種不同含水率的物料,在室內(nèi)進(jìn)行了水分熱脫附試驗,得到了殘余水分含量、物料溫度等結(jié)果,并與熱脫附模型計算結(jié)果進(jìn)行了對比分析。通過水分脫附試驗,同時驗證設(shè)備的加熱及溫度控制情況。然后針對鉆井現(xiàn)場取樣的含油鉆屑物料,在室內(nèi)進(jìn)行了熱脫附處理的聯(lián)機運行試驗。通過試驗得到了不同工況下經(jīng)處理后的殘留含油、含水質(zhì)量分?jǐn)?shù)以及物料終溫,并討論了影響因素。最后熱脫附處理中試樣機在某專業(yè)處理廠內(nèi)進(jìn)行了約一周時間的運行測試,試驗的物料來至于渤海區(qū)域平臺含油鉆屑和污泥。針對兩種不同的含油物料,得到了不同工況下的測試結(jié)果,并進(jìn)行了對比分析。三階段的試驗研究檢驗了中試樣機各系統(tǒng)設(shè)計的合理性;同時也驗證了熱脫附分析模型、過程模擬計算以及熱源數(shù)值模擬的正確性。通過理論分析、數(shù)值模擬和試驗測試,研究了含油鉆屑熱脫附高效處理中的關(guān)鍵技術(shù)問題,形成了一套適應(yīng)于海上平臺使用條件的采用雙邊電磁感應(yīng)加熱方式的含油鉆屑熱脫附高效處理方法及中試樣機;并建立了適用于工程計算的含油鉆屑熱脫附過程模擬模型及效果預(yù)測方法。研究結(jié)果為海上平臺含油鉆屑就地高效處理提供了一套有效技術(shù)方案和可靠的技術(shù)保障。
【學(xué)位授予單位】：中國地質(zhì)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TE52

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